復(fù)合材料的分層缺陷

1、復(fù)合材料的分層缺陷引言目前被廣泛用于飛機(jī)承力構(gòu)件的纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（CFRP）主要是層合板與層 合結(jié)構(gòu)。在層合板的制造過(guò)程中，常由于許多不確定的因素，使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)發(fā)生分層、 孔隙、氣孔等等不同形式的缺陷；同時(shí)，復(fù)合材料層合板在裝配與服役過(guò)程中所受到低能 沖擊很容易引發(fā)各種形式的損傷。由于增強(qiáng)纖維鋪設(shè)方向的不一致常導(dǎo)致鋪層間剛度的不 匹配，引發(fā)較高的層間應(yīng)力，而層間應(yīng)力的主要傳遞介質(zhì)是較弱的樹(shù)脂基體，因此對(duì)于復(fù) 合材料層合板，分層是其主要的損傷形式。有報(bào)導(dǎo)統(tǒng)計(jì)，復(fù)合材料層合板在加工、裝配和 使用過(guò)程中產(chǎn)生的分層損傷，占缺陷件的50%以上。分層常存在于結(jié)構(gòu)內(nèi)部，無(wú)法根據(jù)表而狀態(tài)檢測(cè)出來(lái)，并

2、且分層的存在極大地降 低了 結(jié)構(gòu)的剛度，特別在壓縮載荷作用下，由于發(fā)生局部屈曲而導(dǎo)致分層擴(kuò)展，使結(jié)構(gòu)在低于 其壓縮強(qiáng)度時(shí)發(fā)生破壞。在飛機(jī)研制與制造過(guò)程中，復(fù)合材料層合板的分層損傷問(wèn)題一直 是難以解決的結(jié)構(gòu)問(wèn)題之一，也是影響CFRP在結(jié) 構(gòu)組分中應(yīng)用的主要限制因 素。因此，如 何充分地結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試，利用數(shù)值模擬的方法評(píng)估分層的許和容限，成為決定飛機(jī)結(jié)構(gòu)綜 合性能的亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。1. 1分層產(chǎn)生的原因Pagano和Schoeppner根據(jù)復(fù)合材料構(gòu)件的形狀，將分層產(chǎn)生的原因分為柱形結(jié)構(gòu)、兩類(lèi)。第一類(lèi)為曲率構(gòu)件，工程中常見(jiàn)的曲率構(gòu)件包括扇形體、管狀結(jié)構(gòu)、 形結(jié)構(gòu)和壓力容器等；第二類(lèi)為變厚度截面

3、，工程中常見(jiàn)于薄層板與 補(bǔ)強(qiáng)件連接區(qū)域、自由邊界處、粘合連接處及螺栓接合處等。在上述結(jié)構(gòu)件中，臨近的兩鋪 層極易在法向和剪切向應(yīng)力作用下發(fā)生脫膠和形成層間裂紋。以外，溫濕效應(yīng)、層板制備和服役狀態(tài)等亦是分層產(chǎn)生的原因。由于纖維與樹(shù)脂的熱膨脹系數(shù)以及吸濕率均存在差異，因此，不同鋪層易在固化過(guò)程產(chǎn)生不同程度的收縮并在吸收 濕氣后產(chǎn)生不同程度的膨脹，不同程度的收縮與膨脹所產(chǎn)生的剩余壓力是導(dǎo)致分層的源頭之 一幻。在層合板的制備過(guò)程中，由于手工鋪設(shè)質(zhì)量具有分散性，極易 形成富樹(shù)脂區(qū)，進(jìn)而 引發(fā)樹(shù)脂固化時(shí)鋪層間的收縮程度差異，使層間具有較低的力學(xué)特性，極易形成分層3。在服役過(guò)程中，低速?zèng)_擊所產(chǎn)生的橫向集中力

4、是層合板結(jié)構(gòu)形成分層的重要原因之一。沖擊引發(fā)的臨近鋪層間的內(nèi)部損傷、層合板制造過(guò)程中工具的掉落、復(fù)合材料部件的組裝及維修以及 軍用飛機(jī)及結(jié)構(gòu)的彈道沖擊等均會(huì)引發(fā)層間分層。1 2分層的種類(lèi)Bolotin 9, 將分層分為內(nèi)部分層(Internal delaminations)和淺表分層(Near-surface delaminationS兩類(lèi)。其中，內(nèi)部分層源自層合板的內(nèi)部鋪層，由于樹(shù)月旨 裂紋和鋪層界面間相互作用而形成，它的存在會(huì)降低結(jié)構(gòu)件的承載能力。特別是在壓縮載荷作用下，層合板的彎曲行為受到嚴(yán)重影響(如圖1)。雖然分層將層合板分為兩個(gè)部分，但是由于兩個(gè)子層板變形間的相互作用，層合板呈現(xiàn)相似

5、的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)，發(fā)生整體屈曲。圖1內(nèi)部分層及對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響淺表分層產(chǎn)生于層合板接近表面的淺層位置，呈現(xiàn)出比內(nèi)部分層更為復(fù)雜的分層行 為。分層區(qū)域的變形受到厚子板的影響相對(duì)更小，淺表處的分層部分并不定受較厚的子板的牽制而變形，因此對(duì)于淺表分層，不僅需要考慮淺表分層的擴(kuò)展，還 需要考慮分層子板的局部穩(wěn)定性。根據(jù)載荷形式及分層狀態(tài)可將淺表分層分為如圖2所示的 種類(lèi)。bl張開(kāi)的屈曲型分星b1 Open buck led17 CkisctiOpen in tension11）闔的叩曲乜專(zhuān)1 Hr*i /sqC vtr/in Liigc hucklcii iivith ccoiidtify trick計(jì)邊

6、第庸曲型命層F4an knr.lcl AriAT圖2淺表分層的種類(lèi)在分層產(chǎn)生后，內(nèi)部分層和淺表分層在靜承載和疲勞載荷作用下可能發(fā)生分層擴(kuò) 展， 層合板的強(qiáng)度和穩(wěn)定性明顯下降。確定分層缺陷的形式對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的完整性是十分層 重要的。1 3分層的微觀結(jié)構(gòu)在微觀尺度下，層間裂紋擴(kuò)展后將在裂紋前緣形成損傷區(qū)域。根據(jù)樹(shù)脂的韌性和應(yīng)力水平（I型，II型，山型和混合型，如圖3所示），損傷區(qū)域的尺寸和形狀呈 現(xiàn)不 同的狀態(tài)。剪切載荷下裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的衰減較緩慢，因此 和III型裂紋尖端 的損傷區(qū)域 比I型區(qū)域廣。此外，受樹(shù)脂基體的影響，脆性與韌性樹(shù)脂基體的損傷I】型 狀態(tài)具有明顯 的區(qū)別。在脆性樹(shù)脂體系下，

7、I型裂紋尖端的損傷區(qū)域會(huì)發(fā)生微裂紋的合并和生長(zhǎng)以及纖維一 樹(shù)脂間的脫膠現(xiàn)象，上述現(xiàn)象都會(huì)誘發(fā)裂紋前進(jìn)，其中，脫膠行為的發(fā)生常伴隨著纖維橋接和纖維斷裂現(xiàn)象的發(fā)生。而對(duì)于剪切模式的II型和III型分層，裂紋前緣處的微裂紋發(fā)生合并的現(xiàn)象，并與鋪層角度呈45。方向擴(kuò)展，直至到達(dá)富樹(shù)脂區(qū)域。界面處微裂紋的合并在纖維間的樹(shù)脂區(qū)域呈現(xiàn)鋸齒狀,圖4所示。而對(duì)于韌性材料體系，裂紋前緣的塑性變形推進(jìn)裂紋擴(kuò)展，呈現(xiàn)出韌性斷裂并伴 隨層間脫層現(xiàn)象的發(fā)生mi. jMoth 11MmI. 111a)b)圖3 I型、II型和III型裂紋拓展模式圖4層間II型分層的擴(kuò)展模式：（a）裂紋尖端處微裂紋的形成；（b）微裂 紋的生長(zhǎng)

8、及張開(kāi)；（C）微裂紋的合并及剪切尖端的形成2準(zhǔn)靜態(tài)下分層行為預(yù)測(cè)方法分層力學(xué)由前蘇聯(lián)的固體物理學(xué)家Obreimoff （ 1894-1981）最先著手研究,1930年，他在題名“The Splitting Strength of Mica” 的論文中詳細(xì)討論了層間斷裂韌性并研究了在剪切力作用下云母試樣的分層現(xiàn)象。時(shí)至今日，分層的力學(xué)問(wèn)題在吸引重多科研工作者興趣的同時(shí)，已取得了突出的成果，分層行為的預(yù)測(cè)方法發(fā)展成為 強(qiáng)度理論方法、斷裂力學(xué)方法和損傷力學(xué)方法等三類(lèi)。2. 1強(qiáng)度理論方法強(qiáng)度理論方法是研究分層問(wèn)題的傳統(tǒng)方法，是以結(jié)構(gòu)或材料抵抗損傷發(fā)生的能力為基礎(chǔ)，通過(guò)將材料內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力與界面強(qiáng)度的

9、大小進(jìn)行比較來(lái)判斷界面是否發(fā)生 分 層。該預(yù)測(cè)分層損傷的方法由Whitney等首先提出；在進(jìn)一步應(yīng)用平均應(yīng)力準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，Kim等對(duì)受拉、壓載荷作用下的層合板的分 層產(chǎn)生時(shí)的臨 界 載荷值進(jìn)行了預(yù)測(cè)。但是由于不連續(xù)鋪層端部易出現(xiàn)應(yīng)力奇異，應(yīng)力準(zhǔn)則方法高度依賴(lài)網(wǎng)格 尺寸；且由于平均應(yīng)力準(zhǔn)則或點(diǎn)應(yīng)力準(zhǔn)則都引入了特征長(zhǎng)度的概念，而特征長(zhǎng)度并沒(méi)有很強(qiáng) 的理論基礎(chǔ)，使該方法不能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)/KQIJ/JEU2. 2線彈性斷裂力學(xué)方法斷裂力學(xué)方法通過(guò)計(jì)算裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)與裂紋尖端張開(kāi)位移來(lái)評(píng)價(jià)界面的損傷狀態(tài)。在忽略材料非線性的前提下，可以采用線彈性斷裂力學(xué)方法（LEFM）有效地預(yù)測(cè)分層擴(kuò)展?fàn)領(lǐng)III態(tài)，該方

10、法的核心內(nèi)容為裂紋尖端能量釋放率的計(jì)算。計(jì) 算應(yīng)變能釋放率的常用方法包括虛裂紋擴(kuò)展技術(shù) （VCCT）、 J積分、虛裂紋擴(kuò)張和剛 度微分方法等，通過(guò)比較應(yīng)變能釋放率分量的組合式與某臨界值間的關(guān)系，可以對(duì)分層的狀 態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)。2. 3損傷力學(xué)方法損傷力學(xué)方法是通過(guò)引入微缺陷/微裂紋的面積等形式的損傷變量來(lái)預(yù)測(cè)界面處分層狀 態(tài)，相比斷裂力學(xué)方法，該方法不僅可以預(yù)測(cè)己存在裂紋的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，更重要的是，可以預(yù) 測(cè)新裂紋的產(chǎn)生。以?xún)?nèi)聚力理論為基礎(chǔ)，該方法考慮了復(fù)合材料基體與增強(qiáng)相間以化學(xué)反應(yīng)的形式生成的一層界面物質(zhì)層，以界面參數(shù)的形式，充分地反映了界面物質(zhì)層的模量、強(qiáng)度和韌性等材料參數(shù)。內(nèi)聚力裂紋模型由Du

11、gdale回和 Barenblatt 首次提出：材料在屈服應(yīng)力的作用下，會(huì)在裂紋前緣形成薄的塑性區(qū)域，在該區(qū)域范圍內(nèi)的裂紋表面有應(yīng) 力作用，此 作用力為“內(nèi)聚力”；而與之相對(duì)的裂紋表面不受任何應(yīng)力作用的區(qū)域?yàn)閿嗔褏^(qū)（如圖5所示）。cohesive damage zonek frontcohesive zone (undamaged)upper/Io cohesive雖然內(nèi)聚力模型屬于局部損傷模型問(wèn)，對(duì)網(wǎng)格具有依賴(lài)性，但由于其支持網(wǎng)格間的相互獨(dú)立，因此可以方便地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的充分細(xì)化，達(dá)到準(zhǔn)確計(jì)算的目可以同時(shí)完成損傷容的。采用內(nèi)聚力模型方法可以同時(shí)預(yù)測(cè)分層的產(chǎn)生和擴(kuò)展, 限和強(qiáng)度分析。1王雪明，謝富

12、原，李敏，王菲，張佐光熱壓罐成型復(fù)合材料構(gòu)件分層缺陷影響因素 分析.第十五屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議20082 N. J. Pagano, G. A.Schoeppner. Delamination of polymer matrix composites： problems and assessmen t, (Ed.) Anonymous Kelly, A. ; Zweben, D. , Oxford (UK). 2000T E. Tay, F. Shen. Analysis of delamination growth in laminated composites withconsidera

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